【元胞自动机】基于元胞自动机模拟不规则车道交通流matlab源码-优快云博客

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一、简介

元胞自动机(CA)是一种用来仿真局部规则和局部联系的方法。典型的元胞自动机是定义在网格上的，每一个点上的网格代表一个元胞与一种有限的状态。变化规则适用于每一个元胞并且同时进行。典型的变化规则，决定于元胞的状态，以及其( 4 或 8 )邻居的状态。
1 对元胞自动机的初步认识
元胞自动机(CA)是一种用来仿真局部规则和局部联系的方法。典型的元
胞自动机是定义在网格上的，每一个点上的网格代表一个元胞与一种有限的状
态。变化规则适用于每一个元胞并且同时进行。
2 元胞的变化规则&元胞状态
典型的变化规则，决定于元胞的状态，以及其( 4 或 8 )邻居的状态。
3 元胞自动机的应用
元胞自动机已被应用于物理模拟，生物模拟等领域。
4 元胞自动机的matlab编程
结合以上，我们可以理解元胞自动机仿真需要理解三点。一是元胞，在matlab中可以理解为矩阵中的一点或多点组成的方形块，一般我们用矩阵中的一点代表一个元胞。二是变化规则，元胞的变化规则决定元胞下一刻的状态。三是元胞的状态，元胞的状态是自定义的，通常是对立的状态，比如生物的存活状态或死亡状态，红灯或绿灯，该点有障碍物或者没有障碍物等等。

二、源代码

clear all;
clc;
W = 0;
% 每个格子的状态有三种：
% 用1表示车辆，0表示空位，-888表示不可进入区域
for j = 1
    B = 6; %收费站的数量
    L = 3; %车道数量
    T = 23; % 更新时间为24毫秒
    global plazalength;%定义全局变量，车道长度
    plazalength = 20;
    plaza = create_plaza(B,L);%表示元胞空间的状态矩阵
    v=plaza;
    %====================================================
    h = show_plaza(plaza,B,NaN);                        %图像显示
    %====================================================
    num = 7;%绘图周期
    entry_vector = create_entry(T,L);%表示车辆到来数的向量
      entry_vector = create_temp_entry(num,30,30);
     waiting_time = 0;%等待时间一开始为0
     output = 0;
     k=1;
%     total_wait = zeros((greenTime+redTime)*num,1);
     total_entry = zeros(2*num,1);
     total_ac = zeros(2*num,1);
     total_traffic_capacity = zeros(2*num,1);
%     total_traffic_density = zeros((redTime+greenTime)*num,1);
     cross_point = plazalength-4;
%     average_wait = zeros(2*num,1);
     k=1;
    for i = 1:5
%         waiting_time = 0;
%         output = 0;
         entry = 0;
         ac=0;
         traffic_capacity = 0;
            for xx=1:60
                for cc = (plazalength-1):-1:1  %动力系统
                    for ccc = 2:7
                        if v(cc,ccc)==1 && rand>0.7
                            v(cc,ccc)=2;
                        else if v(cc,ccc)==2 && rand>0.8
                                v(cc,ccc)=3;
                            end
                        end
                    end
                end
                [plaza,v,acone] = move_forward(plaza,v); %前进规则
                ac = ac + acone;
                [plaza,v] = new_cars(plaza,xx,v); %将上面生成的车辆到来情况加到元胞空间矩阵中
                
                [plaza,v] = switch_lanes(plaza,v); %换道规则
%                 %交叉路口来的车辆
%                 [plaza,flag] = newCross_cas(plaza,cross_point);
                %计算这个时间步长元胞空间的车辆逗留时间
                %waiting_time = waiting_time + compute_wait(plaza); %进行求和求总的时间
                %output = output + compute_output(plaza);%每辆车的平均费时，计算离开收费站的总车辆数
                %===============================================
                h = show_plaza(plaza,B,h);                     %更新图像
                drawnow
                %===============================================
                [plaza,v,flag] = clear_boundary(plaza,v);%移除离开系统的车辆，即将元胞空间中最后一行大于0的设为0
                entry = entry + flag;

%                  if plaza((plazalength+1)/2,2) == 1
%                      traffic_capacity = traffic_capacity+1;
%                 end
%                  total_traffic_density(k) = size(find(plaza((plazalength+1)/4:(plazalength+1)/2-1,:)>0),1);
%                 total_wait(k) = waiting_time;
                 k = k+1;
                 pause(0.1);
            end
% %         total_wait(i) = waiting_time;
%         average_wait(i) = waiting_time/greenTime;
         total_entry(i) = entry;
         total_ac(i) = ac;
%         total_traffic_capacity(i) = traffic_capacity;
%         
%         
    end
    show_plaza(plaza,B,h);
%     W(j+1) = waiting_time/output;
%     xlabel({strcat('B = ',num2str(B)), ...
%         strcat('mean cost time = ', num2str(round(W(j+1))))})
%     count = 1;
%     average_traffic_density = zeros(2*num,1);
%     for i=1:num
%         average_traffic_density(count) = sum(total_traffic_density((i-1)*(greenTime+redTime)+1:(i-1)*(greenTime+redTime)+greenTime));
%         count = count+1;
%         average_traffic_density(count) = sum(total_traffic_density((i-1)*(greenTime+redTime)+1+greenTime:(i-1)*(greenTime+redTime)+greenTime+redTime));
%         count = count+1;
%     end
function [plaza,v] = switch_lanes(plaza,v)
%换道规则，当车的前面位置被别的车辆占据时，该车考虑换道
%这种车辆在前进规则中状态已经被标记为-2，车辆以prob进行换道
prob = 0.8;
[L,W] = size(plaza);
for i = (L-1):-1:1
        for j = 2:(W-1)
            if plaza(i,j) == -2
                if rand < prob %概率满足，换道
                        if rand>0.5
                        if plaza(i, j+1) == 0 
                            plaza(i,j+1) = 1;
                            plaza(i,j) = 0;
                            v(i,j+1) = v(i,j);
                            v(i,j) = 0;
                        elseif plaza(i, j-1) == 0
                            plaza(i, j-1) = 1;
                            plaza(i,j) = 0;
                            v(i,j-1) = v(i,j);
                            v(i,j) = 0;
                        else
                            plaza(i,j) = 1;
                        end
                    else
                        if plaza(i, j-1) == 0
                            plaza(i, j-1) = 1;
                            plaza(i,j) = 0;
                            v(i,j-1) = v(i,j);
                            v(i,j) = 0;
                        elseif plaza(i, j+1) == 0 
                            plaza(i,j+1) = 1;
                            plaza(i,j) = 0;
                            v(i,j+1) = v(i,j);
                            v(i,j) = 0;
                        else
                            plaza(i,j) = 1;
                        end
                    end
                else
                    plaza(i,j) = 1;
                end
            end
        end
end

for i = (L-1):-1:1
    for j = 2:(W-1)
        if plaza(i,j) == -3 && rand >0.5
                        if plaza(i, j+1) == 0 && j~=W-1
                            plaza(i,j+1) = 1;
                            plaza(i,j) = 0;
                            v(i,j+1) = v(i,j);
                            v(i,j) = 0;
                        else
                            plaza(i,j) = 1;
                        end
        end
    end
end

for i = (L-1):-1:1
        if plaza(i,5) == -4
            if rand < 0.2
                        if plaza(i, 6) == 0
                            plaza(i,6) = 1;
                            plaza(i,5) = 0;
                            v(i,6) = v(i,5);
                            v(i,5) = 0;
                        else
                            plaza(i,5) = 1;
                        end
            else
                plaza(i,5) = 1;
            end
        end
end